Aktywność egzoszkieletu i mózgu za pomocą fNIRS (ExoNIRS)

Ważnym celem neurobiologii układów motorycznych jest scharakteryzowanie, w jaki sposób aktywność neuronów w mózgu pośredniczy w parametrach ruchu, takich jak siła, prędkość, częstotliwość ruchu lub kierunek ruchu. Kodowanie nerwowe siły badano u zwierząt i ludzi za pomocą TEP, fMRI, funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni (fNIRS), EEG lub stymulacji magnetycznej.

Badania elektrofizjologiczne na naczelnych innych niż człowiek wykazały korelację między szybkością wyładowań neuronalnych w wielu obszarach przeciwległej kory ruchowej a amplitudą wywieranej siły.

Badania funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) u ludzi potwierdziły związek między zwiększoną aktywacją neuronów a rosnącą amplitudą siły w przeciwległej pierwotnej korze ruchowej/somatosensorycznej (M1/S1), dodatkowym polu motorycznym (SMA) i korze przedruchowej. Ipsilateralna kora ruchowa może również przyczynić się do kodowania siły. Istnieją również dowody na to, że pętla zwojów podstawno-wzgórzowo-korowych uczestniczy w regulacji kontroli siły. Wewnętrzna część gałki bladej (GPi) i jądra podwzgórza (STN) miały dodatni wzrost procentowej zmiany sygnału wraz ze wzrostem siły, a brzuszne obszary wzgórza również sugerowano w ten sam sposób. Niedawno badania z fNIRS potwierdziły związek między poziomem siły a aktywacją mózgu w półkuli przeciwnej i ipsilateralnej.

Większość badań na ludziach dotyczyła izometrycznych zadań statycznych. Tylko nieliczne badania uwzględniały ruchy dynamiczne. Z reguły przetwarzanie powtarzających się przejściowych zmian siły wymaga większej aktywności metabolicznej niż generowanie i kontrolowanie siły statycznej. Istnieje korelacja między poziomem siły a zmianami korowymi w obrębie sieci neuronalnej w kontralateralnym M1 i przednim móżdżku.

Większość badań dotyczy kończyny górnej. Według naszej wiedzy tylko badane dotyczą kończyny dolnej w izometrycznym poziomie siły. Jeden dotyczy neuronalnych korelatów kontroli momentu obrotowego mięśnia czworogłowego uda u pacjentów z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc, a drugi skurczów izometrycznych ze zginaczem grzbietowym kostki u osób zdrowych.

fMRI i TEP są bardzo czułe na artefakty ruchu i nie nadają się do dynamicznych stawów proksymalnych ani badań chodu. fNIRS jest mniej wrażliwy na artefakty ruchowe i umożliwił liczne badania chodzenia w bardziej naturalnych warunkach u osób kontrolnych lub pacjentów. fMRI i fNIRS opierają się na fizjologicznych zasadach sprzężenia nerwowo-naczyniowego, czyli procesie, w którym aktywne obszary mózgu indukują lokalny wzrost przepływu krwi w celu zaspokojenia ich zapotrzebowania energetycznego poprzez rozszerzenie naczyń włosowatych i tętniczek. fMRI mierzy odpowiedź zależną od poziomu tlenu we krwi (BOLD) odpowiadającą stosunkowi oksyhemoglobiny do deoksyhemoglobiny. Jednak dwa ugrupowania hemoglobiny nie są mierzone indywidualnie za pomocą fMRI. Wręcz przeciwnie, fNIRS mierzy dwa rodzaje hemoglobiny oddzielnie. Podczas tego sprzężenia nerwowo-naczyniowego ilość dostarczanego tlenu jest zwykle większa niż zużywana lokalnie, co powoduje znaczny wzrost HbO2 i nieznaczne zmniejszenie HbR w regionie.

Wiele badań fNIRS dotyczących chodu rejestrowało zmiany hemodynamiczne w korze przedczołowej z paradygmatem podwójnych zadań. Tylko nieliczne badania dotyczyły kory ruchowej.

W ostatnich latach oprócz rehabilitacji konwencjonalnej stosowano rehabilitację wspomaganą robotem. Oferuje możliwości wczesnego, intensywnego, ukierunkowanego na zadania zarządzania ze stymulacją multisensoryczną, która jest uważana za najskuteczniejszą w promowaniu neuroplastyczności. Literatura sugeruje, że rehabilitacja robotyczna zwiększa zdolność chodzenia pacjentów, prędkość chodu, siłę mięśni kończyn dolnych, długość kroku i symetrię chodu. Jednak neurofizjologiczne podstawy rehabilitacji wspomaganej robotem pozostają słabo poznane. Zastosowanie egzoszkieletu pozwala kontrolować procent udzielanej pomocy. W tym badaniu na zdrowych osobach badacze proponują zbadanie aktywacji mózgu w regionach motorycznych podczas chodzenia w egzoszkielecie. Badane są cztery poziomy siły: całkowita pomoc (A100%), częściowa pomoc (A50%), brak pomocy (A0%) i opór 25% (R25%) przy chodzeniu z egzoszkieletu. Badacze stawiają hipotezę, że poziom aktywacji mózgu mierzony za pomocą fNIRS będzie wzrastał wraz z wysiłkiem wykonywanym przez badanych.